專利名稱：為電力負(fù)載提供可控饋電電壓及饋電電流的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種為電力負(fù)載提供饋電電壓或饋電電流的方法及裝置。
通常，電力負(fù)載通過電線從一電源獲得饋電電壓或饋電電流。由電線饋電可能導(dǎo)致電源與電力負(fù)載間的電位差。
已公知，當(dāng)電力負(fù)載為電傳感器時(shí)，可實(shí)現(xiàn)零電位饋電(電氣絕緣)，其中通過光學(xué)方式向傳感器傳輸能量。在一種公知的實(shí)施形式中，激光二極管的光通過一光波導(dǎo)體傳輸?shù)揭粋€(gè)光電元件陣列并由該陣列轉(zhuǎn)換為傳感器所需的能量。傳感器的測量數(shù)據(jù)也以光學(xué)方式通過一個(gè)光波導(dǎo)體傳輸(“傳感器與致動(dòng)器A”第25至27卷(1991)、第475至480頁)。
這種以光學(xué)方式傳輸能量的系統(tǒng)具有光源強(qiáng)度漲落(不穩(wěn)定)的問題，尤其是由于元件老化或環(huán)境溫度改變而造成的問題。通過對光源實(shí)行恒定電流控制或通過利用監(jiān)視光電二極管或監(jiān)視光電元件對光源所發(fā)出的功率進(jìn)行測量，并再調(diào)節(jié)光源的饋電電流，可以對光源的強(qiáng)度漲落現(xiàn)象予以補(bǔ)償。但是這種公知的控制方法不能補(bǔ)償來自光源與光電轉(zhuǎn)變器的傳輸路線上的干擾量的影響，也不能補(bǔ)償由于光電轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率改變所造成的影響。
本發(fā)明的目的在于提供一種可避免上述缺點(diǎn)的為電力負(fù)載提供饋電電壓或饋電電流的方法和裝置。
本發(fā)明的目的通過權(quán)利要求1或權(quán)利要求6所述的特征得以實(shí)現(xiàn)。至少一個(gè)負(fù)載所需的能量以電磁波的形式從至少一個(gè)發(fā)射器傳輸?shù)街辽僖粋€(gè)接收器。接收器與負(fù)載電連接并將來自發(fā)射器的電磁波轉(zhuǎn)換為饋電電壓或饋電電流。為消除電磁波強(qiáng)度漲落、發(fā)射器或接受器的轉(zhuǎn)換效率變化所造成的影響，設(shè)置了一個(gè)通過調(diào)節(jié)發(fā)射器的發(fā)射功率而將饋電電壓或饋電電流控制在某預(yù)定參照值的控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)饋電電壓或饋電電流作為調(diào)整量意味著，測量這些饋電電壓或饋電電流，將所測得的當(dāng)前值(實(shí)際值)與參照值(額定值)進(jìn)行比較，并使發(fā)射器的發(fā)射功率適合于(經(jīng)調(diào)節(jié)、控制)使饋電電壓或饋電電流的測量值與參照值之間的差值位于一個(gè)預(yù)定的、至少包含零點(diǎn)的誤差區(qū)間。通過這種控制系統(tǒng)可以彌補(bǔ)由于饋電電壓或饋電電流不必要的變化造成的影響，如由于溫度變化、發(fā)射器和接受器老化或接受器與發(fā)射器間的傳輸線上的阻尼等干擾量所造成的影響。這樣尤其可以降低發(fā)射器的能量消耗并延長發(fā)射器的使用壽命，因?yàn)閬碜园l(fā)射器的發(fā)射功率與負(fù)載的實(shí)際需要相適配，不必為消除干擾量而提供多余的電能。
本發(fā)明的目的也可通過權(quán)利要求21所述特征加以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的方法和裝置的優(yōu)選及擴(kuò)展實(shí)施方案由從屬權(quán)利要求實(shí)現(xiàn)。
該方法和裝置基本上適用于對任意一個(gè)負(fù)載的饋電，特別適用于對電子線路和電傳感器或致動(dòng)器的饋電。
用于為負(fù)載傳輸能量的電磁波可以從任一個(gè)波段中選出，其前提是有與之相應(yīng)的發(fā)射器發(fā)射電磁波并有相應(yīng)的接收器將該電磁波轉(zhuǎn)換為電能。在第一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，使用了波長范圍為400nm至1400nm的可見光或紅外光?？蛇x擇激光、激光二極管、發(fā)光二極管或其它類似光源作為發(fā)射器，相應(yīng)的接受器可以是例如作為光電轉(zhuǎn)換器的光電二極管、光電元件或最好是光電元件陣列。來自發(fā)射器的光通過光波導(dǎo)體或直接照射傳輸給接收器。在第二個(gè)實(shí)施形式中，可以采用無線電頻譜中的電波或微波頻譜中的電波(無線電通訊或定向無線電通訊)并使用相應(yīng)的無線電發(fā)射機(jī)或無線電接收機(jī)發(fā)射或接收無線電波。
在控制系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，只要饋電電壓或饋電電流的測量值與參照值之間的調(diào)差小于零(即太小)時(shí)，將按時(shí)間順序形成短暫的控制脈沖。根據(jù)控制脈沖在一給定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)的時(shí)間上的積分，由一個(gè)功率調(diào)節(jié)器通過控制電流提高發(fā)射器的發(fā)射功率，再次提高已明顯降低的饋電電壓或饋電電流。
為形成控制脈沖，最好先由一個(gè)比較電路產(chǎn)生一個(gè)二元比較信號(hào)，該比較信號(hào)包含了有關(guān)調(diào)差符號(hào)的信息。當(dāng)饋電壓或饋電流的測量值與由一個(gè)參照值發(fā)生器制備的參照值之間的調(diào)差小于零時(shí)，比較信號(hào)位于第一邏輯狀態(tài)；當(dāng)上述調(diào)差大于或等于零時(shí)，比較信號(hào)位于第二邏輯狀態(tài)。該雙元比較信號(hào)被輸入給產(chǎn)生控制脈沖部件，該部件在比較信號(hào)為第一邏輯狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生電控制脈沖。在一個(gè)實(shí)施形式中，用于產(chǎn)生控制脈沖的部件包括一個(gè)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，比較信號(hào)位于其輸入端，只要比較信號(hào)為第一邏輯狀態(tài)，就可在其輸出端獲得一系列控制脈沖。在另一實(shí)施形式中，用于產(chǎn)生控制脈沖的信號(hào)包含利用規(guī)則脈沖調(diào)制發(fā)射器射線的部件，一個(gè)與接受器電連接的過濾單元，用于對該脈沖進(jìn)行濾波，還包括一個(gè)邏輯電路，比如一個(gè)和門(邏輯門)電路，比較信號(hào)位于和門的第一輸入端，過濾單元的脈沖位于和門的第二輸入端。當(dāng)比較信號(hào)為第一邏輯狀態(tài)時(shí)，邏輯電路在輸出端輸出脈沖作為控制脈沖。
為實(shí)現(xiàn)電位隔離，最好將電控制脈沖以光信號(hào)或無線電信號(hào)的形式由一個(gè)信號(hào)發(fā)射器轉(zhuǎn)輸給信號(hào)接收器，然后再將其轉(zhuǎn)換為電脈沖。然后對這些電脈沖最好對其脈沖幅度和脈沖區(qū)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，例如利用單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，然后將這些電脈沖輸入到一個(gè)積分器，該積分器對這些脈沖進(jìn)行時(shí)間累積分。積分器的輸出端電流對應(yīng)于積分器在某特定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的脈沖在恒定時(shí)間段的積分，該電流作為可變調(diào)節(jié)電流用于調(diào)節(jié)發(fā)射器的發(fā)射功率。
在該控制系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，采用一個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM-信號(hào))傳輸饋電電壓或饋電電流與參照值之間的調(diào)差。調(diào)差值被編碼在PWM信號(hào)的可變脈沖寬度內(nèi)。借助該P(yáng)WM-信號(hào)可以調(diào)節(jié)發(fā)射器的發(fā)射功率。在該實(shí)施形式中，控制器除包含一個(gè)用于提供參照值的參照值發(fā)生器外，還包括一個(gè)用于計(jì)算調(diào)差值的比較器和一個(gè)將調(diào)差轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)的PWM-調(diào)制器。
測出的饋電電壓或饋電電流與參照值之間的調(diào)差被輸入到PWM-調(diào)制器，通過使用該P(yáng)WM-調(diào)制器在控制器中測出的調(diào)差被轉(zhuǎn)換為PWM-信號(hào)，該信號(hào)最好以零電位傳輸給發(fā)射器。這種傳輸僅需要一個(gè)位(Bit)。通過傳輸所產(chǎn)生的PWM-信號(hào)，可以獲得控制電路的優(yōu)良穩(wěn)定性能，并從開始就避免邊界循環(huán)(Grenzzyklen)的出現(xiàn)。由于借助PWM-信號(hào)傳輸一時(shí)間編碼模擬信號(hào)，可使用PI-控制器調(diào)節(jié)發(fā)射器的發(fā)射功率。由此可實(shí)現(xiàn)對電力負(fù)載所需的供電電壓特別有利的線性控制。
在一優(yōu)選實(shí)施形式中，PWM-調(diào)制器由一個(gè)調(diào)制發(fā)生器，一個(gè)比較器和一個(gè)比較電路組成。比較器的正輸入端形成PWM-調(diào)制器的輸入端，比較器的負(fù)輸入端與調(diào)制發(fā)生器的輸出端相連，比較電路后接于比較器，比較電路的輸出端形成PWM-調(diào)制器的輸出端。具體地，比較發(fā)生器可以是一個(gè)三角形脈沖發(fā)生器，一個(gè)鋸齒形脈沖發(fā)生器，也可以是一個(gè)產(chǎn)生不對稱的與三角形相似的以及e-函數(shù)調(diào)制信號(hào)的發(fā)生器。
在控制器的一個(gè)特別優(yōu)選方案中，PWM-調(diào)制器被設(shè)計(jì)成僅在參照值附近的范圍內(nèi)將調(diào)差信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM-信號(hào)。由此可達(dá)到較高分辨率，獲得較好的調(diào)節(jié)效果。
在控制器的另一優(yōu)選方案中，在接收器的輸出端設(shè)置了緩沖器，該緩沖器提高了負(fù)載的抗干擾能力和工作可靠性。
以下將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，附圖中

圖1是一個(gè)為電力負(fù)載提供饋電電壓的裝置的基本結(jié)構(gòu)，圖2和圖3分別是所述裝置的控制器的實(shí)施形式，圖4是所述裝置的功率調(diào)節(jié)器的實(shí)施形式，圖5是產(chǎn)生PWM-控制信號(hào)的裝置的實(shí)施形式，圖6是一個(gè)PWM-調(diào)制器的實(shí)施形式，圖1至圖6分別是示意簡圖，其中相互對應(yīng)的部分用相同的附圖標(biāo)記表示。
圖1中，2表示電力負(fù)載，3表示用于發(fā)射電磁波R的發(fā)射器，4表示用于接收該電磁波的接收器，4A和4B表示該接收器的兩個(gè)接線端，6表示一個(gè)控制器，7表示一個(gè)功率調(diào)節(jié)器。
接收器4將接收的來自發(fā)射器3的電磁波R轉(zhuǎn)換為饋電電壓Us或饋電電流并提供給負(fù)載2。該饋電電壓Us位于接收器4的兩個(gè)接線端4A和4B之間，負(fù)載2被接入這兩個(gè)接線端之間。
發(fā)射器3的發(fā)射功率即發(fā)射的電磁波R的功率可通過功率調(diào)節(jié)器7進(jìn)行控制。為此，功率調(diào)節(jié)器7為發(fā)射器3提供一控制電源流T，發(fā)射器3的發(fā)射功率取決于該控制電流T。
控制器6測量負(fù)載2的饋電電壓U。如圖所示，根據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)最好直接在負(fù)載2上測量饋電電壓U，以避免在測量中出現(xiàn)由接收器4至負(fù)載2的饋電線上的電壓差。當(dāng)然也可在饋電電流電路中的任意兩點(diǎn)之間測出饋電電壓U，其前提是，負(fù)載2位于這兩點(diǎn)之間。尤其可以測量位于接收器4的接線端4A和4B之間的最大饋電電壓Us。
比較器6將饋電電壓U的測量值(實(shí)際值)與預(yù)給定的參照值(額定值)REF進(jìn)行比較。如果饋電電壓U的實(shí)際值與其額定值REF差別很大，控制器6通過控制信號(hào)S指示功率調(diào)節(jié)器7，根據(jù)實(shí)際值U與額定值REF的調(diào)差ΔU＝U-REF改變發(fā)射器3的發(fā)射功率。如果調(diào)差ΔU＝U-REF小于一個(gè)預(yù)給定的非正數(shù)的誤差值x1≤0，即目前饋電電壓U太小，功率調(diào)節(jié)器7便通過控制電流T提高發(fā)射器3的發(fā)射功率；如果調(diào)差ΔU＝U-REF大于一預(yù)定的非負(fù)數(shù)的誤差值x2≥0，即所測的饋電電壓太大，功率調(diào)節(jié)器7便最好降低發(fā)射器3的發(fā)射功率；如果調(diào)差ΔU＝U-REF位于一預(yù)定的在兩個(gè)公差值之間的公差區(qū)間[x1，x2]內(nèi)，功率調(diào)節(jié)器7則不釋放控制電流T，以保持發(fā)射器3的發(fā)射功率恒定不變。
以上述方式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)控制電路，其控制量是饋電電壓U，其控制路段由發(fā)射器3，發(fā)射器3與接收器4之間的傳輸路段和接收器4組成。對控制路段上有影響的所有干擾量，例如電磁波R傳輸路段的衰減變化，或由于例如溫度變化或老化而造成的發(fā)射器3和/或接收器4的效率變化，都可以通過對負(fù)載2的饋電電壓U進(jìn)行控制加以抵消?？刂齐娐返恼{(diào)節(jié)量是功率調(diào)節(jié)器7的控制電流T或控制器6的控制信號(hào)S。
可采用不同的方式實(shí)現(xiàn)控制器6并將它與發(fā)射器3通過不同的調(diào)節(jié)路段有效連接，以控制發(fā)射器3的發(fā)射功率。
圖2示出了控制器6的第一種實(shí)施形式?？刂破?包括一個(gè)參照值發(fā)生器61和一個(gè)比較電路，該比較電路包括兩個(gè)電阻62和63和一個(gè)運(yùn)算放大器64及一個(gè)非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器65。參照值發(fā)生器61與接收器4電連接并產(chǎn)生一個(gè)預(yù)定的，在本實(shí)施例中為負(fù)的參照電壓作為參照值REF，該值位于參照值發(fā)生器61的一個(gè)輸出端61A。參照值發(fā)生器61的輸出端61A通過第一個(gè)電阻62與運(yùn)算放大器64的第一個(gè)輸入端64A電連接。運(yùn)算放大器64的第一輸入端64A通過第二個(gè)電阻63與接收器4的第二接線端4B電連接。運(yùn)算放大器64的另一輸入端64B與接收器4的另一接線端4A電連接。在所示實(shí)施例中，接收器4的第二接線端4B相對于位于第一接線端4A的某恒定電位(例如，零電位(地線))的電位為正電位。通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮?2和63以及運(yùn)算放大器64，在運(yùn)算放大器的輸出端64c形成一個(gè)二元比較信號(hào)CS。當(dāng)饋電電壓U小于其額定值REF(ΔU＜0)時(shí)，該比較信號(hào)位于其第一邏輯狀態(tài)，反之，當(dāng)饋電電壓大于或等于其額定值REF(ΔU≥0)時(shí)，該比較信號(hào)位于其第二邏輯狀態(tài)。該二元比較信號(hào)CS被輸入給非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器65。當(dāng)位于非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器65的輸入端的比較信號(hào)CS位于其第一邏輯狀態(tài)，即調(diào)差ΔU＝U-REF小于零時(shí)，非零態(tài)多諧振蕩器65以預(yù)定的區(qū)間和預(yù)定的間隔產(chǎn)生電脈沖P。
在圖3所示的一個(gè)控制器的第二個(gè)實(shí)施例中，控制器6的比較電路包括4個(gè)電阻62，62A，63和63A及一個(gè)運(yùn)算放大器64。運(yùn)算放大器64的第一輸入端64A通過電阻63與接收器4的第二接線端4B連接，并通過電阻63A與接收器4的第一輸入端4A連接。運(yùn)算放大器64的第二輸入端64B通過電阻62與參照值發(fā)生器61的輸出端61A連接并通過電阻62A與接收器4的第一接線端4A電連接。在該實(shí)施例中，參照值發(fā)生器61提供一個(gè)正參照電壓作為參照值REF。此外，通過電磁波R將數(shù)字的，最好為矩形的脈沖傳輸給接收器4。發(fā)射器3的電磁波R相應(yīng)的被調(diào)制。該脈沖被接在接收器4的兩個(gè)接線端4A和4B之間的過濾單元67濾波并以電脈沖P’的形式被傳送給一個(gè)邏輯電路66的一個(gè)輸入端66B。運(yùn)算放大器64的比較信號(hào)CS位于邏輯電路66的另一輸入端66A。只有當(dāng)比較信號(hào)CS位于其第一邏輯狀態(tài)，即饋電電壓U低于其參照值REF時(shí)，邏輯電路66才將脈沖P’作為脈沖P釋放在其輸出端66c。例如可設(shè)定一個(gè)和門電路(ANO-GATE)作為邏輯電路66。
在圖2和圖3示出的優(yōu)選實(shí)施形式中，由多諧振蕩器65和邏輯電路66產(chǎn)生的脈沖P被輸入到信號(hào)發(fā)射器60并被轉(zhuǎn)換為電磁脈沖作為控制信號(hào)S，尤其是電信號(hào)或無線電信號(hào)。對這種電磁控制信號(hào)S可進(jìn)行電氣絕緣(零電位)傳輸。
比較電路的電阻62，63，62A及63A可以是固定的或可調(diào)的，不同的電阻或兩者的結(jié)合。除了圖2和圖3所示的比較電路外，還可采用本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員公知的其它比較電路用于比較當(dāng)前饋電電壓U與其參照值REF。
此外，在各種實(shí)施形式中，可調(diào)節(jié)負(fù)載2的饋電電流代替調(diào)節(jié)其饋電電壓。這時(shí)控制器6順序接到負(fù)載2上并包括一個(gè)參照電流發(fā)生器和一個(gè)相應(yīng)的比較電路，用于對饋電電流與參照電流進(jìn)行比較。
圖4示出了功率調(diào)節(jié)器7的一個(gè)實(shí)施形式，該實(shí)施形式可以與圖2和圖3所示控制器6的實(shí)施形式有利地結(jié)合。一信號(hào)接收器70接受來自信號(hào)發(fā)射器60(圖4中未示出)的電磁控制信號(hào)S并將其轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)S′。該電脈沖信號(hào)S′被輸入到一個(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器71，該多諧振蕩器由脈沖信號(hào)S′產(chǎn)生脈沖區(qū)間及脈沖幅度規(guī)范的在時(shí)間上與脈沖信號(hào)S′的一個(gè)邊沿同步的標(biāo)準(zhǔn)脈沖S″，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖S″被輸入給一個(gè)積分器72。積分器72對該標(biāo)準(zhǔn)脈沖S″在預(yù)定的時(shí)間區(qū)間上進(jìn)行積分，并在其輸出端提供一個(gè)積分電流I2，該電流的強(qiáng)度與所求出的時(shí)間上的積分相適配。此外還設(shè)定了一個(gè)產(chǎn)生恒定基流I1的電流源73。由基流I1和積分電流I2組成的和電流I1+I2被輸入到一個(gè)調(diào)節(jié)單元74。調(diào)節(jié)單元74為發(fā)射器3(圖中未示出)提供控制電流T?？刂齐娏鱐隨位于調(diào)節(jié)單元74輸入端的和電流I1+I2的增大而增大。
包括一個(gè)控制器6(參照圖2或圖3)和一個(gè)功率調(diào)節(jié)器7(參照圖4)的控制裝置(如圖1所示)最好按以下方式運(yùn)行。開始只將電流源73的基流I1輸入給調(diào)節(jié)單元74。調(diào)節(jié)單元74為發(fā)射器3提供一相應(yīng)的控制電流T。發(fā)射器3的相應(yīng)的基本發(fā)射功率通過電磁波R被傳輸給接收器4，并被接收器4轉(zhuǎn)換為基本饋電電壓Us＝Uo。對基流I1進(jìn)行調(diào)節(jié)，使基本饋電電壓Uo與參照值REF之間的調(diào)差值小于零，即Uo-REF＜0?？刂破?的兩個(gè)容許誤差值x1和x2最好調(diào)節(jié)為零，即x1＝x2＝0，這樣容許誤差的區(qū)間僅由作為容許誤差值的唯一一個(gè)零點(diǎn)0組成。由于U≤Us＝Uo，使ΔU＝U-REF＜x1＝0，控制器6便產(chǎn)生控制脈沖S并傳輸給功率調(diào)節(jié)器7。功率調(diào)節(jié)器7中的積分器72產(chǎn)生一個(gè)不等于零的積分電流I2。接著調(diào)節(jié)單元74通過控制電流T提高發(fā)射器3的發(fā)射功率，并導(dǎo)致負(fù)載2的饋電電壓U升高。只要調(diào)差ΔU小于零，即，ΔU＝U-REF＜0，控制器6就一直發(fā)射控制信號(hào)S。如果饋電電壓U大于或等于參照值REF，即ΔU＝U-REF≥0，控制器6就不再發(fā)射控制信號(hào)S。積分器72的積分電流I2根據(jù)積分器72預(yù)定的時(shí)間常數(shù)下降。饋電電壓U也隨之下降。當(dāng)饋電電壓U再次低于參照值REF時(shí)，即ΔU＝U-REF＜0時(shí)，控制器6又重新發(fā)射控制信號(hào)S，以提高發(fā)射器3的發(fā)射功率。
在一個(gè)未示出的電力負(fù)載的饋電電壓及饋電電流的控制系統(tǒng)的實(shí)施形式中，也可將由一測量裝置測出的負(fù)載的饋電電壓及饋電電流的測量值(實(shí)際值)數(shù)字化，并作為數(shù)字測量信號(hào)傳輸給一個(gè)數(shù)字比較裝置。該饋電電壓或饋電電流的數(shù)字化實(shí)際值最好以電磁波形式由一個(gè)與測量裝置電連接的信號(hào)發(fā)射器轉(zhuǎn)輸?shù)揭粋€(gè)與比較裝置電連接的信號(hào)接受器。數(shù)字比較裝置將接收到的饋電電壓或饋電電流的數(shù)字實(shí)際值與一存儲(chǔ)的數(shù)字參考值進(jìn)行比較，并根據(jù)該比較結(jié)果利用功率調(diào)節(jié)器改變發(fā)射器3的控制電流。例如當(dāng)饋電電壓或饋電電流的數(shù)值與數(shù)字化參考值之間的調(diào)差小于一預(yù)定的非正數(shù)的第一誤差值時(shí)，即x1≤0時(shí)，該控制電流T被增大；當(dāng)該調(diào)差值大于一預(yù)定的、非負(fù)數(shù)的第二誤差值，即x2≥0時(shí)，該控制電流T被減小；當(dāng)該調(diào)差位于一容許誤差區(qū)間[x1，x2]內(nèi)時(shí)，該控制電流T被保持恒定，從而保持發(fā)射器3的發(fā)射功率恒定。可以設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)目烧{(diào)電流源作為功率調(diào)節(jié)器，用于控制該控制電流T。
當(dāng)然，也可將測得的饋電電壓或饋電電流的實(shí)際值作為模擬值以電磁波的形式傳輸?shù)揭粋€(gè)比較裝置，例如傳輸?shù)揭粋€(gè)比較電路或一個(gè)帶后接數(shù)字比較裝置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
為避免發(fā)射器3的發(fā)射功率在控制過程中采取過大的值，可另外設(shè)置一個(gè)保護(hù)裝置，在發(fā)射器3的發(fā)射功率或控制電流T為預(yù)定最大值時(shí)，該保護(hù)裝置切斷對發(fā)射器3的供電。例如利用監(jiān)視光電二極管可實(shí)現(xiàn)對發(fā)射器3的發(fā)射功率或?qū)刂齐娏鱐的監(jiān)控。
可設(shè)置光學(xué)傳輸系統(tǒng)或無線電傳輸系統(tǒng)為負(fù)載2傳輸能量。一激光器，一激光二極管或其它光源可作為光學(xué)發(fā)射器3。作為光學(xué)接收器4的元件可以是例如光電元件，光電二極管或最好是一個(gè)由這種光電轉(zhuǎn)換器組成的陣列。利用光波導(dǎo)體或自由射流裝置可以將光以電磁波R的形式由發(fā)射器3傳輸?shù)浇邮掌?。在利用無線電波以電磁波R的形式傳輸能量時(shí)，可采用任何適合的無線電發(fā)射器作為發(fā)射器3，并采用任何適合的無線電接收器作為接收器4。
同樣，可利用光波或無線電波傳輸控制信號(hào)S。這時(shí)，信號(hào)發(fā)射器60和信號(hào)接收器70分別是相應(yīng)的光學(xué)組件及無線電組件。
在各實(shí)施形式中，也可由一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器3為多個(gè)負(fù)載2提供能量。這時(shí)，每個(gè)負(fù)載2配置一個(gè)接收器4，接收器4將至少一個(gè)發(fā)射器3的電磁波R轉(zhuǎn)換成電力負(fù)載2所需的饋電電壓Us或饋電電流。在這種情況下，也可利用電磁波R傳輸用于對負(fù)載進(jìn)行等時(shí)控制的同步信號(hào)。為此可相應(yīng)調(diào)制至少一個(gè)發(fā)射器3的控制電流T。
在一個(gè)該裝置的特別的實(shí)施形式中，設(shè)置了一個(gè)電傳感器作為負(fù)載2，比如一個(gè)電流或電壓轉(zhuǎn)換器。該最好被數(shù)字化的傳感器測量信號(hào)可最好通過與控制器6的控制信號(hào)S的相同傳輸路段被傳輸，在這種情況下，可設(shè)置一個(gè)邏輯電路，該邏輯電路在信號(hào)發(fā)射器60和信號(hào)接收器70之間的傳輸路段上提供控制系統(tǒng)的控制信號(hào)S，數(shù)字測量信號(hào)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)控制脈沖。
此外，可以以下述方式雙向形成發(fā)射器3和接收器4之間的傳輸路段。在一個(gè)分時(shí)多路轉(zhuǎn)換或分波長多路轉(zhuǎn)換過程中，將傳感器的能量和測量信號(hào)和/或控制器6的控制信號(hào)S在時(shí)間上分開并以不同的波長范圍傳輸。
如果負(fù)載需要不同的功率，可以在調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)或提供用于控制饋電電壓U或饋電電流的參照值REF。在控制技術(shù)中，REF被稱為主導(dǎo)量。
圖5是一個(gè)測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，其中在高電位下測量電流和電壓。所測得的測量值必須嚴(yán)格分開并傳輸給計(jì)算電子元件5。如圖所示，傳感電路8與計(jì)算電子元件5在空間上相互分開。通過兩個(gè)分離的光波導(dǎo)體9和10實(shí)現(xiàn)電位分離。當(dāng)使用不同波長時(shí)，也可通過單獨(dú)一個(gè)的光波導(dǎo)體傳輸能量和數(shù)據(jù)。作為光波導(dǎo)體9或10的元件可以是光纖或塑料光波導(dǎo)體。究競采用哪種類型的光波導(dǎo)體，取決于所采用的光的波長，因?yàn)樗鼪Q定了阻尼。通過光波導(dǎo)體9為傳感電路8傳輸所需的能量。為此，發(fā)射器3在計(jì)算電子元件5上發(fā)出電磁波R，該電磁波在接收器4中(也被稱為能量轉(zhuǎn)換器)重新被轉(zhuǎn)換為電能。這種能量轉(zhuǎn)換器4的結(jié)構(gòu)是光電元件。通常多個(gè)光電管如GaAS-光電管以串聯(lián)形式聯(lián)接以達(dá)到較高的輸出電壓。例如可采用一發(fā)射波長約為850nm的激光二極管作為發(fā)射器3。來自能量轉(zhuǎn)換器4的電壓Us直接地、即不經(jīng)過現(xiàn)場的附加的電壓調(diào)控、為傳感電路8提供電流。為保證為負(fù)載2提供可靠的饋電電流，建議用一個(gè)電容器作為能量轉(zhuǎn)換器4的輸出端的緩沖元件。饋電電壓Usp位于該緩沖輸出端。
為確保饋電電壓Usp的穩(wěn)定性，設(shè)定了一個(gè)用于控制饋電電壓Usp的控制器6，該控制器6具有一個(gè)電壓分配器11，一個(gè)比較器12，一個(gè)PWM-調(diào)制器14和一個(gè)參照值發(fā)生器61。首先測量饋電電壓Usp并將其與一作為參照值REF的饋電電壓URef相比較。由于能量轉(zhuǎn)換器4的輸出電壓Usp構(gòu)成了整個(gè)傳感電路8的饋電電壓Usp，所以參照電壓URef的值小于饋電電壓Usp的值，因此在所示實(shí)施形式中，利用電壓分配器11形成一個(gè)降低后的饋電電壓Usp′，并將Usp′與參照值URef進(jìn)行比較。根據(jù)參照值發(fā)生器61形成一個(gè)參照電壓URef，該參照電壓URef一方面輸入到比較器12的一個(gè)正輸入端，另一方面輸入到負(fù)載2。負(fù)載2例如由一個(gè)信號(hào)放大器和一個(gè)A/D-轉(zhuǎn)換器組成并與一個(gè)傳感器13連接。電壓分配器11的輸出電壓Usp′位于比較器12的負(fù)輸入端，位于比較器12輸出端的電壓差ΔU(也被稱為調(diào)差ΔU)被輸給一個(gè)PWM-調(diào)制器14。圖6詳細(xì)以方框圖形式示出了該P(yáng)WM-調(diào)制器14的結(jié)構(gòu)。該P(yáng)WM-調(diào)制器14的輸出端與一個(gè)數(shù)字合成裝置15，例如一個(gè)乘法器聯(lián)接。該數(shù)字合成裝置15的另一個(gè)輸入端與負(fù)載2，尤其與一個(gè)A/D-轉(zhuǎn)換器聯(lián)接。由PWM-調(diào)制器14產(chǎn)生的PWM-信號(hào)SPWM與負(fù)載2的數(shù)據(jù)信號(hào)SD一起通過該數(shù)字合成裝置15形成合成信號(hào)SPWMD，并通過光波導(dǎo)體10轉(zhuǎn)輸給計(jì)算電路5。
在計(jì)算電路5中，合成信號(hào)SPWMD又被分為數(shù)據(jù)信號(hào)SD和PWM-信號(hào)SPWM。數(shù)據(jù)信號(hào)SD被繼續(xù)傳送給一個(gè)處理器，而PWM-信號(hào)SPWM則作為輸入信號(hào)位于一個(gè)功率調(diào)節(jié)器7的輸入端。該功率調(diào)節(jié)器改變發(fā)射器3的功率，使得由能量轉(zhuǎn)換器4形成的電壓Us及Usp保持恒定。為使負(fù)載2的數(shù)據(jù)信號(hào)SD從PWM-調(diào)制器14的PWM-信號(hào)SPWM中分離開，采用了一個(gè)解調(diào)器16，該解調(diào)器的輸出端與一個(gè)接口17聯(lián)連，為了進(jìn)一步處理負(fù)載2的數(shù)據(jù)信號(hào)SD可以在接口17設(shè)置一個(gè)處理器。另外，功率調(diào)節(jié)器7也與接口17聯(lián)接。例如因?yàn)槔肞WM-信號(hào)SPWM傳輸一個(gè)時(shí)間編碼的模擬信號(hào)，所以可設(shè)置一個(gè)PI-調(diào)制器可作為功率調(diào)節(jié)器7。通過為饋電電壓Usp傳輸一個(gè)近似模擬的調(diào)差ΔU可以得到非常好的控制效果。
通過采用PWM-調(diào)制器14，可以利用一個(gè)PWM-信號(hào)SPWM傳輸調(diào)差ΔU，這將在電壓控制中不會(huì)出現(xiàn)邊界循環(huán)，因此，激光二極管3不至于承受過大的負(fù)荷。此外，調(diào)節(jié)電路的穩(wěn)定性能也由此得到改善。最終利用所示實(shí)施形式能排除瞬間干擾，如負(fù)載2不同的接收電流或激光電流的干擾。
圖6為一個(gè)圖5所示傳感電路8中的PWM-調(diào)制器14的實(shí)施形式方框圖。該P(yáng)WM-調(diào)制器14包括一個(gè)比較器18，一個(gè)比較電路19和一個(gè)調(diào)制發(fā)生器20。比較器18的正輸入端形成調(diào)制器14的輸入端，比較電路19的輸出端形成調(diào)制器14的輸出端。比較器18的負(fù)輸入端與調(diào)制發(fā)生器20的輸出端連接，比較器18的輸出端與比較電路19的輸入端連接。設(shè)定了一個(gè)鋸齒波形發(fā)生器作為調(diào)制制發(fā)生器20。也可采用其它周期性的調(diào)制電壓Umod′，例如一個(gè)三角波形來代替作為調(diào)制電壓Umod的鋸齒波形。此外，調(diào)制發(fā)生器還能產(chǎn)生一個(gè)非對稱的類似三角形的調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)由指數(shù)函數(shù)(e-函數(shù))組成。PWM-調(diào)制器14已被優(yōu)化設(shè)計(jì)，它僅在所需電壓U*＝URef的附近范圍將調(diào)差轉(zhuǎn)換為PWM-信號(hào)SPWM。由此可獲得高分辨率及更好的控制效果。利用調(diào)制電壓Umod的振幅可以調(diào)節(jié)所測出的調(diào)差ΔU的上述范圍。
通過傳感電路8中控制器6的改進(jìn)結(jié)構(gòu)(參照圖5和圖6)，借助一個(gè)PWM-信號(hào)SPWM傳輸所求出的調(diào)出ΔU，可以獲得用于控制負(fù)載2的饋電電壓Usp的控制電路的較好的穩(wěn)定性能。這種傳輸方式只需要一位(Bit)。由于采用PWM-信號(hào)SPWM傳輸一時(shí)間編碼的模擬信號(hào)，可使用一個(gè)PI-控制器作為計(jì)算電路5中用于控制發(fā)射器3的功率的功率調(diào)節(jié)器7。由此可以實(shí)現(xiàn)線性控制。
此外，還可以從流過激光二極管3的電流中測出能量傳輸系統(tǒng)的老化狀態(tài)，這是因?yàn)?，傳感電?的饋電電壓得到控制。為此只需將當(dāng)前電流設(shè)置為在傳感系統(tǒng)首次投入運(yùn)行時(shí)的電流。在此假設(shè)發(fā)射器3的老化狀態(tài)代表整個(gè)傳感系統(tǒng)的老化狀態(tài)。
由此可通過監(jiān)控激光二極管的電流獲得系統(tǒng)的保養(yǎng)信息。
始終應(yīng)注意的錯(cuò)誤源是兩個(gè)光波導(dǎo)體9和10之一被損壞。這必然導(dǎo)致由負(fù)載2發(fā)送至計(jì)算電路5的數(shù)據(jù)電流被中斷，這要么是由于傳感電路8的饋電電流被中斷，要么是傳輸信息被中斷。不過可以用簡單的方式在計(jì)算電路5中檢測出這種信息電流的中斷。
在這種情況下，必須關(guān)閉發(fā)射器3，這是因?yàn)樵谑鹿饰恢脮?huì)釋放出不可見的，對眼睛有害的高能量的光。通過對數(shù)據(jù)電流進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視可以發(fā)出相應(yīng)的關(guān)閉信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種為電力負(fù)載(2)提供一饋電電壓(U)或一饋電電流的方法，其特征在于a)發(fā)射器(3)的電磁波(R)被傳輸給一個(gè)接收器(4)并由接收器(4)轉(zhuǎn)換為用于負(fù)載(2)的饋電電壓(U)或饋電電流，b)通過調(diào)節(jié)發(fā)射器(3)的發(fā)射功率將饋電電壓(U)或饋電電流控制在一個(gè)預(yù)定的參照值(REF)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中按時(shí)間順序形成預(yù)定區(qū)間的的控制脈沖(P，S)，并且當(dāng)饋電電壓(U)或饋電電流與參照值(REF)之間的調(diào)差小于零時(shí)，根據(jù)該控制信號(hào)(P，S)在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)的時(shí)間積分，提高發(fā)射器(3)的發(fā)射功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采用一個(gè)包含調(diào)差(ΔU)信息的，用于調(diào)制脈沖寬度的控制信號(hào)(SPWM)對發(fā)射器(3)的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中采用了波長范圍為約400nm至約1400nm之間的電磁波(R)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中采用無線電波作為電磁波(R)。
6.一種為電力負(fù)載(2)提供一饋電電壓(U)或一饋電電流的裝置，所述裝置包括a)一個(gè)發(fā)射器(3)，用于發(fā)射電磁波(R)，b)一個(gè)接收器(4)，用于將來自發(fā)射器(3)的電磁波轉(zhuǎn)換為用于負(fù)載(2)的饋電電壓(U)或饋電電流，c)一個(gè)控制器(6)，該控制器通過調(diào)節(jié)發(fā)射器(3)的發(fā)射功率將饋電電壓(U)及饋電電流控制在一個(gè)預(yù)定的參照值(REF)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中負(fù)載(2)包含一個(gè)傳感器(13)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7所述的裝置，其中a)控制器(6)包括a1)一個(gè)參照值發(fā)生器(61)，用于提供參照值(REF)，a2)一個(gè)與參照值發(fā)生器(61)電連接的比較電路(62，62A，63，63A，64)，用于測量饋電電壓(U)或饋電電流并將測量值與參照值(REF)進(jìn)行比較，以及產(chǎn)生一個(gè)二元比較信號(hào)(CS)；當(dāng)饋電電壓(U)或饋電電流的測量值小于參照值(REF)時(shí)，該比較信號(hào)采取其第一邏輯狀態(tài)，當(dāng)饋電電壓(U)或饋電電流的測量值大于或等于參照值(REF)時(shí)，該比較信號(hào)采取其第二邏輯狀態(tài)，a3)與比較電路(62，62A，63，63A，64)電連接的部件，用于在比較信號(hào)(CS)位于其第一狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生控制脈沖(P)，b)其中還設(shè)置了一個(gè)功率調(diào)節(jié)器(7)，它通過一傳輸控制脈沖(P，S)的傳輸路段與控制器(6)連接，并為發(fā)射器(3)提供一控制電流(T)，用于控制其發(fā)射功率，該控制電流取決于控制器(6)的控制脈沖(P，S)在一預(yù)定時(shí)間范圍內(nèi)的時(shí)間積分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中功率調(diào)節(jié)器(7)包括一個(gè)積分器(72)，該積分器產(chǎn)生相應(yīng)于時(shí)間積分的積分電流(I2)，該積分電流至少組成功率調(diào)節(jié)器(7)的控制電流(T)的一部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求7和權(quán)利要求8或9之一所述的裝置，其中，設(shè)置了一個(gè)以電磁信號(hào)方式進(jìn)行傳輸?shù)墓灿脗鬏斅范?，該傳輸路段既能傳輸控制脈沖(S)又能傳輸來自傳感器的測量信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中控制器(6)包括一個(gè)參照值發(fā)生器(61)，用于提供參照值(URef)；一個(gè)比較器(11)，用于計(jì)算饋電電壓(U)或饋電電流與參照值(URef)之間的調(diào)差(ΔU)；一個(gè)PWM-調(diào)制器(14)，用于將調(diào)差(ΔU)轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)發(fā)射器(3)的發(fā)射功率的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(SPWM)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述PWM-調(diào)制器(14)包括一個(gè)調(diào)制發(fā)生器(20)，一個(gè)比較器(18)和一個(gè)比較電路(19)，其中比較器(18)的正輸入端構(gòu)成PWM-調(diào)制器的輸入端，而后接于比較器(18)的比較電路(19)的輸出端構(gòu)成PWM-調(diào)制器的輸出端；比較器(18)的負(fù)輸入端與調(diào)制發(fā)生器(20)的輸出端連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中調(diào)節(jié)調(diào)制發(fā)生器(20)產(chǎn)生的調(diào)制電壓(UMod)的振幅，使得PWM-調(diào)制器(14)只在一個(gè)預(yù)定的參照值(URef)的附近范圍產(chǎn)生一個(gè)PWM-控制信號(hào)(SPWM)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的裝置，其中設(shè)置了一個(gè)鋸齒波發(fā)生器作為調(diào)制發(fā)生器(20)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或13所述的裝置，其中設(shè)置了一個(gè)三角波發(fā)生器作為調(diào)制發(fā)生器(20)。
16.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的裝置，其中設(shè)置了一個(gè)產(chǎn)生非對稱的，類似三角形的，由e-函數(shù)組成的調(diào)制信號(hào)的發(fā)生器作為調(diào)制發(fā)生器。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至16中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，控制器(6)包括一個(gè)電壓分配器(11)，該電壓分配器與一個(gè)接收器(4)和一個(gè)比較器(12)連接，一個(gè)在接收器(4)的輸出電壓(Usp)基礎(chǔ)上降低了的輸出電壓(Usp′)位于比較器(12)的負(fù)輸入端。
18.根據(jù)權(quán)利要求7和權(quán)利要求11至17中任一項(xiàng)所述的裝置，其中設(shè)置了一個(gè)數(shù)字合成裝置(15)，該合成裝置與調(diào)制器(14)的一個(gè)輸出端及負(fù)載(2)的一個(gè)輸出端連接并由負(fù)載(2)的至少一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)(SD)和PWM-調(diào)制器(14)的PWM-信號(hào)(SPWM)產(chǎn)生一個(gè)合成信號(hào)(SPWMD)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中設(shè)置了一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字合成裝置(15)。
20.根據(jù)權(quán)利要求6至19中任一項(xiàng)所述的裝置，其中在接收器(4)的輸出端設(shè)置了緩沖元件。
21.一種為電力負(fù)載(2)提供饋電電壓(Us)的裝置，所述裝置包括a)一個(gè)發(fā)射器(3)，用于發(fā)射電磁波(R)，b)一個(gè)接收器(4)，用于將接收的來自發(fā)射器(3)的電磁波(R)轉(zhuǎn)換為用于負(fù)載(2)的饋電電壓(Us)，c)一個(gè)控制器(6)，用于測量饋電電壓(Us)并將測量值與一預(yù)定的參照值(URef)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)發(fā)射器(3)的發(fā)射功率的控制信號(hào)(S)，其中，控制器(6)包括一個(gè)電壓分配器(11)和一個(gè)比較器(12)及一個(gè)PWM-調(diào)制器(14)，其中電壓分配器(11)的輸入端與接收器(4)的輸出端連接，而其輸出端與比較器(12)的負(fù)輸入端連接；比較器(12)的正輸入端與參照值發(fā)生器(61)的輸出端連接，其輸出端與PWM-調(diào)制器(14)的輸入端連接；PWM-調(diào)制器(14)的輸出端與一個(gè)數(shù)字合成裝置(15)連接，合成裝置(15)的另一輸入端與負(fù)載(2)連接，一合成信號(hào)(SPWMD)位于合成裝置(15)的輸出端。
全文摘要
為電力負(fù)載提供一可控饋電電壓或一可控饋電電流的方法和裝置。接收器(4)將發(fā)射器(3)的電磁波(R)轉(zhuǎn)換為電力負(fù)載(2)的饋電電壓(U)。通過調(diào)節(jié)發(fā)射器(3)的發(fā)射功率可將饋電電壓(U)控制在一個(gè)參照值(REF)上，由此可以彌補(bǔ)發(fā)射器(3)和接收器(4)的老化現(xiàn)象及傳輸路段上的衰減變化造成的影響。最好選擇波長范圍在400nm至1400nm之間的光作為電磁波(R)。
文檔編號(hào)H02J17/00GK1168747SQ95196642
公開日1997年12月24日 申請日期1995年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月14日
發(fā)明者沃爾特·高斯, 弗朗茨-約瑟夫·昂特拉斯, 迪特·?？ǖ绿?申請人:西門子公司